反循环钻孔灌注桩成孔工艺secret.docx

1、反循环钻孔灌注桩成孔工艺secret反循环钻孔灌注桩成孔工艺1 反循环钻孔灌注桩1.1 概述反循环钻孔灌注桩是采用反循环冲洗液护壁的钻孔灌注桩，目前广泛用于大口径钻孔灌注桩基础。反循环介质是空气、清水、泥浆，与正循环钻进法比较，其特点是：1、携带岩渣的冲洗液沿钻杆中心孔向上返出，由于钻杆过水面积小，使较小的流量获得较大的上返流速（可达24m/s），从而能有效地排除大粒径岩渣，减少岩屑滞留孔底时的重复破碎，提高排渣效率和钻进效率。对大直径（2000mm）钻孔，反循环较正循环具有更明显的优越性。2、在一般较稳定地层钻孔可使用清水为介质，但孔内水位宜高于孔外水位2m 以上。利用孔内水柱压力保持孔壁稳

2、定，此时孔壁不易形成泥皮。若地层不稳定，要保证钻孔壁无泥皮，须在钻孔前将护筒送到岩面或护筒跟进钻孔到岩面，用清水反循环钻进。在不稳定地层钻孔，通常用泥浆护壁。但与正循环钻进时选用的泥浆比较，其密度小、黏度小、向孔壁地层渗透也小，故孔壁泥皮易于清除，有利于提高钻孔的质量。1.2 反循环钻孔原理形成反循环的基本方式有三种，即泵吸反循环、气举反循环和射流反循环。下面将介绍这三种反循环钻孔的原理和特点。 三种反循环钻进效率曲线图如图1-1，图中显示随着孔深增加，泵吸反循环、喷射反循环钻进效率降低，而气举反循环钻进效率提高。气举反循环对孔深有一定要求，一般只能用于大于8m的孔深。图1-11.2.1 泵吸

3、反循环设备1、工作原理与离心泵作用原理相同，砂石泵工作时以吸入方式形成负压，由于不断平衡钻杆外的压力差，而产生液流，当流速达到额定值时，孔低岩渣随液流到达地面。吸出的液体经净化后还可以循环使用。它的通路为：开启钻机转盘3，循环液及岩渣在砂石泵5的泵吸作用下，进入钻头1底部的吸渣口，然后沿钻杆2上升，通过水龙头4的出水管进入砂石泵5的泵腔，从泵出水口排入泥浆池6，施工工艺见图1-2。图1-22、泵吸反循环装置的启动砂石泵必须通过辅助系统才能启动，启动方式有两种：一种是冲水法，即用一台泵量较大的泥浆从砂石泵出水管一侧向整个循环装置充水，当确认已充满水，泥浆泵出口真空压力将达到0.2MPa以下时，开

4、启砂石泵，打开砂石泵出水阀，关闭送水阀，砂石泵即可工作;另一种是利用真空泵将循环装置中空气吸出后启动砂石泵。较完善的启动装置是再设置一个真空罐，在砂石泵启动后，运转真空泵，当真空罐负压达到额定数值后才停止真空泵运转，这种装置的目的是当砂石泵运转通路中有漏气时，在真空罐作用下可以继续排渣，不致停泵。两种方法相比，后者效果好，耗能低，能保证砂石泵正常运转。国外也有采用喷射泵与砂石泵混合作用进行排渣的。3、泵流量的计算砂石泵为保证孔底岩渣及时排出，应使钻杆内的循环液上返速度大于岩渣的沉降速度，钻杆内循环液上返速度以2.00m/s为宜；最低不小于1.5m/s；岩渣下沉速度，一般在0.51.2m/s。砂

5、石泵排量按式1-1计算： Q=3600FvK （1-1）式中：Q砂石泵排量（m/h3）; F钻杆的净截面积(m2 ) V循环液上返速度（m/s），按上述值选择；K砂石泵余量系数，取1.21.8。K值与砂石泵、水龙头距孔液面的高度、循环系统的密封程度、孔深等因素有关。循环液密度小、砂石泵、水龙头距孔口液面近，循环系统密封好，孔浅时，可取小值，反之取大值。国产6、8砂石泵额定流量180m3/h，基本上能满足直径2m 以内、孔深60m以内的桩破岩排渣量要求。采取得当的密封措施，钻孔深度可打达90m。日本研制的S480型可变速泵，有3个转速，孔浅时用低速，随着桩孔的加深而增加转速，钻孔深度可达100m

6、。4、使用注意事项（1）砂石泵、钻机水龙头应尽量接近孔口液面。（2）排渣系统的密封性要完好。（3）循环液的密度不能过大。（4）孔内补浆要及时，以防孔内液面下降过快，造成塌孔。（5）砂石泵叶片磨损过大时应及时更换、维修。（6）停泵之前，应先提钻杆，以防岩渣阻塞钻杆。1.2.2 喷射反循环设备1、工作原理在钻机水龙头出水口处设置一个喷射器，由高压泵产生高压，水流通过喷射器，当喷嘴冲向承喷器时，产生负压，利用这个压差，将钻杆内喜欢液吸出，施工工艺见图1-3。图1-32、喷射反循环装置喷射反循环这种由高压离心泵、高压供水管、喷射器以及水龙头、钻杆、钻头吸渣口等组成，主要装置为喷射器，见图1-4。喷射器

7、上与水龙头、下与排渣管通过法兰连接，在其四周布设46个喷嘴。承喷器是管形结构，尺寸与钻杆内径一致。图1-43、引流量引流量需大于上返岩渣所需排量，同泵吸反循环排量计算相仿。目前国产有6PS射流泵，引流量在120200m3/h，一般满足孔径1.52m、孔深6090m的桩成孔的排量要求。4、使用注意事项参照泵吸反循环1.2.3 气举反循环设备1、工作原理通过管路，将空压机产生的压缩空气送至钻杆下部，从混合器排出，排出的气体与循环液混合形成含大量气泡的气水混合液，混合液密度下降，使钻杆内外循环液形成压差，促使钻杆内混合液上升，当循环液上升速度达到一定流速时，将岩渣从孔底携带通过钻杆排出，施工工艺见图

8、1-5。图1-52、气举反循环装置气举反循环装置由空气压缩机、供风管、供风钻杆、水龙头、气水混合器、钻头上的吸渣口等组成。（1）空气压缩机：应根据孔深、孔径、风管、钻杆内径、钻进速度、泥浆密度等因素来选定。一般选用623m3 /min排气量，0.71.2MPa风压的空气机。（2）水龙头：是进风管和排渣管的混合体，钻进中还担负着起吊钻具的作用。（3）气水混合器：一般置于钻杆的下部，在深孔时需要设置多个混合器。混合器上需开设若干直径35mm的小孔，小孔的总面积为供风管面积的1.53倍。（4）供风钻杆：有钻杆附设气管、双壁钻杆、三壁钻杆等形成。3、主要参数（1）沉没比混合器必须埋入孔内水位以下足够深

9、度时，才能正常工作，混合器埋入深度与混合器到水龙头排渣口距离之比为沉没比，其计算公式如下：a=H/（H+h） （1-2）式中：a沉没比； H混合器埋入孔内液面以下深度(m); h孔内液面至水龙头出口高度(m)。通常情况下，沉没比要大于0.5，气举反循环才能工作，低于0.4就不能工作，所以这种方式在孔内水位深度小于8m的情况下不适用。为此，可采用一些辅助方法，如采取提高护筒的高度、正循环辅以喷射、泵吸反循环等措施加以解决。（2）空压机风压空压机风压按下式计算：P = H/1000+P （1-3）式中：P气举反循环启动所需风压（MPa）; H混合器埋入水中的深度（m）; r循环液的密度，一般在11

10、.25kg/m3；P管路摩擦损失，与孔深、循环液密度，管壁的粗糙程度有关，可取0.020.05MPa。(3)循环液流量要求循环液流量需满足两个要求：一是由钻进速度控制，即破碎的岩渣能及时排出；二是循环液在钻杆内有足够的上升速度，以便将岩渣带出。方法一：按钻进速度计算循环液流量Q，按下式计算： Q = 60Sv0/a （1-4）式中：S钻进面积在水平面上的投影值（m3 ）; v0钻进速度（m/min）; a泥浆额定体积的携渣率，取a=4%6%,最大值为10%。方法二：按循环液在钻杆内所需上升速度计算流量Q，按下式计算：Q=60Fv（m3 / min） （1-5）式中：F钻杆的净面积（m2 ）;

11、v循环液的上升速度，一般取24m/s，最低取1.5m/s。 以上两计算式中，可取大值者为所需循环液流量。由于破岩进尺慢，一般情况下用第二个计算公式计算数值较大。（4）压缩空气消耗量压缩空气消耗量按下式计算：QC = C1 C2rhQ/Clg（rH+10）/10） （1-6）式中：QC所需压缩空气量（m3 /min）; C1温度校正系数，见表1-1； C2气压校正系数，见表1-2； r循环液相对密度，出渣液密度与水密度之比； h孔口液面至排渣口的高度； Q循环液流量（m3 /min）; C系数，见表1-3； H混合器在孔口液面下深度（m）。系数C1 表1-1气温（）C1气温（）C1气温（）C1-

12、151.1251.038250.966-101.098101.02300.948-51.078151.0350.93801.058200.983400.92系数C2 表1-2海拔高度（m)030060090010001500C22.01.961.620.890.880.82系数C 表1-3沉没比H/h+H0.750.70.650.60.550.50.450.4C1313.913.613.112.411.510.68.4不同型号钻杆所需空气压缩机参见表1-4 所需空气压缩机参照表 表1-4钻杆内径（mm）100150180250300420所需空气压缩机供应能力（m3 /min）69122023

13、2204、注意事项 （1）钻机应尽量接近孔口液面，在钻孔深度较浅、不能满足气举反循环工作条件时，应采取正循环、提高护筒高度、泵吸或喷射反循环等辅助工艺。（2）钻杆、水龙头密封良好以防漏气；（3）孔内漏浆时，应及时补浆以防坍孔。（4）停气时，应先提钻以防岩块阻塞钻杆。（5）当启动空压机排渣不畅时，可采用停风再供的方法，使管内堵塞物迅速排出。1.3 反循环回转钻进钻头反循环回转钻进钻头和钻进速度与转速参考表见表1-5。钻头可分为翼状钻头和牙轮滚刀钻头两大类。前者用于松散砂土层、黏土层、砂砾层、软基层和风化基岩；后者则适用于稍软至中硬岩层、包括卵砾石层、中硬基岩。翼状钻头安装刮削刀以挤压力和切削刀破

14、坏岩层钻进，在硬岩中钻进时刀具易磨损、效率低；牙轮滚刀钻头是滚动刀具以挤压、冲击、剪切力破碎岩层。反循环钻机的常用钻头表 表1-5钻 头 形 式适 用 范 围特 点多瓣式钻头（蒜头式钻头）一般土质（黏土、粉土、砂和砂砾层）；粒径比钻杆小10mm左右的卵石层效率高；使用较多；在N值超过40以上的硬土层中钻挖时，钻头刃口会打滑，无法钻挖三翼式钻头N值小于50的一般土质(黏土、粉土、砂和砂砾层)钻头为带有平齿状硬质合金的三叶片四翼式钻头硬土层，特别是坚硬的砂砾层（无侧限抗压强度小于1000KPa的硬土）钻头的刃尖钻挖部分为阶梯式圆筒形，钻挖时先钻一个小圆孔，然后成阶梯形扩大抓斗式钻头用于粒径大于15

15、0mm的砂石层圆锥形钻头无侧限抗压强度为10003000KPa的软岩（页岩、泥岩、砂岩）钻挖时需加压力50200KN，需要用容许荷载为400KN的旋转连接器和扭矩为3080KNm的旋转盘。切削刃有齿轮型、圆盘型、扭式滚动切刀型等滚轮式钻头（牙轮式钻头）特别硬的黏土和砂砾层及无侧限抗压强度大于2000KPa的硬岩土层和岩层混合存在的地层并用式钻头砂砾和卵石层此钻头是在滚轮式钻头上安装耙形刀刃，无需烦琐地更换钻头，进行一般的钻挖作业钻头呈筒形、底唇面齿刃呈锯齿状形成扩底桩，以提高桩端阻力筒式捞石钻头专用与一般土层扩孔钻头专用于砂砾层反循环钻进速度与转速的参考值 表1-6土质钻进速度（min/m）钻

16、头转速（r/min）土质钻进速度（min/m）钻头转速（r/min）黏土35912中砂5846粉土45912砾砂61035细砂47681、翼形钻头反循环回转钻进用翼状钻头，其结构形式和碎岩原理均与正循环回转钻进用翼状钻头相似，按翼板数量也有两翼、三翼、四翼之分，但他们的排列方式和排屑能力不同。反循环回转其岩屑沿钻杆内孔上升，能携带大粒径岩屑；而正循环回转，岩屑沿外环状空间上升，流速低，只能排出小粒径岩屑、岩粉。因此，反循环回转钻进用翼状钻头在结构上也有明显的特点。1）锥形三翼钻头三个翼板底边呈锥形，翼板上沿一定角度布置切削齿板（即刀体），不同翼板上齿板交错排列，齿板上镶焊硬质合金刀片，为直接切

17、削碎岩刀具。齿板可以焊接在翼板上，也可以用螺栓固定在翼板上，如下图所示：图1-6中心管下部带超前锥形双翼小钻头，双翼板上开有较大的吸渣口。这种钻头，超前钻出的小孔既减小了主翼片切削的破碎阻力，又为孔底聚渣创造了有利条件。主翼片切削下来的岩屑也易沿倾斜的孔底下落到中心孔，并将反循环液流带进吸渣口。这种钻头结构简单，回转稳定，聚渣作用好，适用于砂层、土层、砂土和含少量砾石的砂砾层，是大口径工程钻孔施工中使用最广泛的一种钻头。国内有许多施工单位自己设计加工钻头，其结构大致相同，仅结构参数上有区别。为增加钻头刚度，常在翼板之间加焊幅板或拉筋。下表列出了这种钻头的基本尺寸和齿数，供参考。锥形三翼钻头规格

18、 表1-7钻头直径D（mm）钻头高度H（mm）齿数（个）钻头直径D（mm）钻头高度H（mm）齿数（个）6108506180018202176210008200018702490011001022001930271000160011240019903010161600112500202032120016501426002050331270165015280021503614001700163000219039150017301732002280421600176018还有一种可调式三翼钻头，如下图所示。在三个主翼板上各装置一个活动的副翼板。工作时，可根据需要，沿主翼板滑动槽作径向滑移，以调节钻头

19、直径。这种钻头在施工多种孔径钻孔桩的工程时，可以减少钻头数量，降低钻头成本。图1-7可调式三翼钻头的规格如下表。可调式三翼钻头规格表 表1-8钻头最大直径D1（mm）钻头最小直径D2（mm）钻头高度H（mm）齿数（个）130010001650171500120017302020001500187027260020002060363000260021904232002800228045国内一些施工工地常在一般的锥形三翼钻头上加焊一圈钢板环带，即为单环式锥形三翼钻头，圆环的下端面及其外侧还可嵌焊若干组硬合金切削刀具。圆环的作用有：连接各翼板，增加钻头的整体性和刚度；导向作用，提高钻头工作稳定性；修

20、圆钻孔。单图1-82）锥形四翼钻头采用四个翼片，除增加钻头工作稳定性和刚度外，也增加其钻头耐磨性能。可用于钻进N=50以上的较硬的土层、带砾石的砂土层。有的回转钻头，在钻头上面还装置了配重块，既加大钻头压力，又提高了钻头工作稳定性和钻孔的垂直精度，见图3-9。锥图3-9还有另外一种锥形四翼钻头，如下图。钻头带超前小钻头、支承圈和导正圈。这种钻头切削刀刃一螺栓固定在钻头翼板上，便于更换。除中心吸渣管外，一边开一侧吸渣支管，以直接抽吸钻头外圆周附近的岩屑。但实践证明钻进黏土层时，由于有侧吸渣支管，中心吸渣管的流量和抽吸能力大大减弱，可能出现钻头泥包现象。图1-103）筒式内螺旋耙齿钻头筒式内螺旋耙

21、齿钻头如下图所示，以中心排渣关为轴心，管外焊接一个由钢板卷制的钻头筒，底部加焊底盘，底盘下面沿直径方向镶焊两排（垂直相交）直立耙齿。耙齿呈矩形截面，上大下小成锥齿。底盘上在耙齿回转前方开两个矩形的进渣口。中心管下端不穿过底板，与底板保持150200mm的距离。在钻头筒内，在筒壁与中心管之间焊接一定高度的螺旋叶片。图1-11这种钻头适用于砂砾层和卵砾层。钻进时，耙齿疏松砂砾石，并在反循环冲洗液抽吸作用下，砂砾石由底板上的吸渣口进入钻头筒内。其中，能被反循环液流抽吸携带的中小颗粒的砂砾随液流进入中心吸渣管；而大粒径的卵砾石，液流无力携带，则在其后进入筒内的砂砾推动下，沿筒壁螺旋带缓慢上移。为防止螺

22、旋带上的砾石下滚，在螺旋面上可加焊“棘齿”。以这种钻头钻进砂砾层，能充分利用砂砾松散的地层特性和反循环液流的排渣能力。1.4 施工工艺1.1 施工流程反循环钻孔灌注桩施工流程图如下图所示：图1-12 反循环钻孔灌注桩施工程序1.2施工特点1、护筒埋设反循环施工法是在静水压力下进行钻孔，所以护筒的埋设是反循环施工作业中的关键工序。护筒的直径一般比桩径打15cm以上，护筒端部应打入在黏土层或粉土层中，一般不应打入填土层或砂砾层中，以保证护筒不漏水。如必须将护筒端部打入填土层或砂砾层中，应在护筒外侧回填黏土，分层夯实，以防漏水。在极不稳定地层，如在流沙层钻进时，护筒须跟进到岩面或预先将护筒沉到岩面。

23、2、无护筒施工要使反循环施工法在无护筒情况下不坍孔，必须具备以下5个条件。1）确保孔壁的任何部分的静水压力在0.02MPa以上，孔内的水位要高出自然水位2m以上，如下图：图1-13 2)泥浆造壁。在钻挖中孔内泥浆在循环的同时，对孔壁形成一层泥浆膜。泥浆的作用如下：将钻孔内不同土层中的空隙填密实，使孔内漏水减少到最低限度；保持孔内有一定水压以稳定孔壁；延缓砂粒等悬浮状土颗粒的沉降，易于处理沉渣。3）保持一定的泥浆相对密度。在黏土和粉土层中钻挖时泥浆相对密度可取1.021.04；在砂和砂砾等容易坍孔的土层中挖掘时，必须使泥浆相对密度保持在1.051.08。当泥浆相对密度超过1.08时，则钻挖困难，

24、效率降低，易使泥浆泵产生堵塞或使混凝土的置换产生困难，此时要用水适当稀释，以调整泥浆密度。在不含黏土或粉土的纯砂层中钻挖时，还须在储水槽和储水池中加入黏土，并搅拌成适当密度的泥浆。造浆黏土应符合下列技术要求：胶体率不低于95%；含砂率不大于4%；造浆率不低于0.0060.008m3/kg。成孔时，由于地下水稀释等使泥浆密度减小，可添加膨润土等来增大密度。膨润土溶液的浓度与相对密度的关系见下表：膨润土溶液的浓度与相对密度的关系表 表1-9浓度（%）67891011121314相对密度1.0351.0401.0451.0501.0551.0601.0651.0701.075注：膨润土相对密度按2.

25、3计。4）钻挖时保持孔内的泥浆流速比较缓慢。5）保持适当的钻挖速度。钻挖速度同桩径、钻深、土质、钻头的种类与钻速以及泵的扬水能力有关。在砂层中钻挖需考虑泥膜形成所需的时间；在黏性土中钻挖则需考虑泥浆泵的能力并要防止泥浆浓度的增加。钻挖速度与钻头转速的关系参见下表：反循环法钻挖速度与钻头转速的关系表 表1-10土 质钻挖速度（min/m）钻头转速（r/min）土 质钻挖速度（min/m）钻头转速（r/min）黏土35912中砂5846粉土45912砾砂61035细砂47683、施工注意事项1）规划布置施工现场时，应首先考虑冲洗液循环、排水、清渣系统的安设，以保证反循环作业时，冲洗液循环畅通、污水

26、排放彻底、钻渣清除顺利。循环池的容积应不小于桩孔实际体积的1.2倍，以便冲洗液正常循环。沉淀池的容积一般为620m3，桩径小于800mm时，选用6m3；桩径小于1500mm时，选用12m3；桩径大于1500时，选用20m3。现场应专设储浆池，其容积不小于桩孔实际体积的1.2倍，以免灌注混凝土时冲洗液外溢。循环槽（或回灌管路）的断面积应是砂石泵出水管断面积的34倍。若用回灌泵回灌，其泵的排量应大于砂石泵的排量。2）冲洗液净化清水钻进时，钻渣在沉淀池内通过重力沉淀予以清除。沉淀池应交替使用，并及时清除沉渣。泥浆钻进时，宜使用多级振动筛和旋流除砂器或其它除渣装置进行机械除砂清渣。振动筛主要清除粒径较

27、大的钻渣，筛板（网）规格可根据钻渣粒径的大小分级确定。旋流除砂器的有效容积，要适应砂石泵的排量，除砂器数量可根据清渣要求确定。应及时清除循环池沉渣。3）钻头吸水断面应开敞、规整。减少流阻，以防砖块、砾石等堆挤堵塞；钻头体吸口端距钻头底端不宜大于250mm；钻头体吸水口直径宜略小于钻杆内径。在填土层和卵砾层中钻挖时，碎砖、填石或卵砾石的尺寸不得大于钻杆内径的4/5，否则易堵塞钻头水口或管路，影响正常循环。4）泵吸反循环钻进操作要点启动砂石泵，待反循环正常后，才能开动钻机慢速回转下放钻头至孔底。开始钻进时，应先轻压慢转，待钻头正常工作后，逐渐加大转速，调整压力，并使钻头吸口不产生堵水。钻进时应认真

28、仔细观察进尺和砂石泵排水除渣的情况，排量减少或出水含钻渣量较多时，应控制钻进速度，防止因循环液密度太大而中断反循环。钻进参数应根据地层、桩径、砂石泵的合理排量和钻机的经济钻素等加以选择和调整。在砂砾、砂卵、卵砾石地层中钻进时，为防止钻渣过多、卵砾石堵塞管路，可采用间断钻进、间断回转的方法控制钻进速度。加接钻杆时，应先停止钻进，将钻具提离孔底80100mm，维持冲洗液循环12min，以清洗孔底并将管道内的钻渣挑出排净，然后停泵加接钻杆。钻杆连接应拧紧牢固，防止螺栓、螺母、拧卸工具等掉入孔内。钻进时如孔内出现坍孔、涌沙等异常情况，应立即将钻具提离孔底，控制泵量，保持冲洗液循环，吸除坍落物和涌沙；同

29、时向孔内输送性能符合要求的泥浆，保持水头压力以抑制继续涌沙和坍孔，恢复钻进后，泵排量不宜过大，以防止吸坍孔壁。钻进达到要求孔深停钻时，仍要维持冲洗液正常循环，清洗吸除孔底沉渣直到返出冲洗液的钻渣含量小于4%为止。起钻时应注意操作轻稳，防止钻头拖刮孔壁，并向孔内补入适量冲洗液，稳定孔内水头高度。5）清孔清孔要求清孔过程中应观测孔底沉渣厚度和冲洗液含渣量，当冲洗液含渣量小于4%，孔底沉渣厚度符合设计要求时即可停止清孔，并应保持孔内水头高度，防止发生坍孔事故。第一次沉渣处理在终孔时停止钻具回转，将钻头提离孔底5080cm，维持冲洗液的循环，并向孔内注入含砂量小于4%的新泥浆或清水，令钻头在原地空转10